Нанонауки. Невидимая революция - Кристиан Жоаким

Углеродные нанотрубки обозначили границу между этой мезоскопической физикой и нанофизикой, до которой мы еще не добрались, а сделаем мы это в следующей главе.

В 1991 году были открыты трубочки из углерода диаметром от нескольких нанометров до десятков нанометров. Длина нанотрубки может доходить до нескольких микрон. Формируются они из листочков графита, которые скручиваются сами, примерно так, как скручиваются блинчики на сковородке. Как только их обнаружили, так сразу же многие стали облизываться на этакое чудо: трубочки оказались очень прочными, имели свойства проводников или полупроводников, как уж получится, и отличались повышенной теплопроводностью. Исследователи спешили проверить, а не получится ли из нанотрубки проводник в микросхеме или канал транзистора нового типа. Электронов в трубке много, а длина ее намного (в тысячи раз) превышает ее диаметр, и потому электрический ток циркулирует по всем классическим правилам: выполняется закон Ома! Вовсе не так обстоят дела в сечении трубки, ведь в ее диаметр уложится всего лишь несколько длин электронных волн. Значит, чтобы понять электронные качества углеродной нанотрубки, надо в одно и то же время учитывать как классические свойства, так и квантовые выходки электронов проводимости, то есть тех электронов, которые есть в трубке.

Устройства иного рода, механические, так называемые протеиновые двигатели, тоже оказались на границе между мезо- и нанофизикой. Протеиновый двигатель — это такое нагромождение белков, которое в клетках превращает химическую энергию в работу. В любом белке белкового двигателя тысячи атомов. Местонахождением этих атомов в пространстве ведают законы квантовой физики. Любой химической связи в белке соответствует колебание некоторого рода и, значит, некая квантовая волна. Поскольку белок — это множество химических связей, по-разному вибрирующих, то все квантовые волны, соответствующие каждому из колебаний каждой химической связи, никак не проявляются в суммарном движении белка. Как и в твердом теле, квантовые волны колебаний накладываются друг на друга — и гасятся, «смазываются». Механические свойства деформируемого белка выглядят почти классическими: белковая молекула может вращаться или перемещаться, совершая движения в пространстве. Нагромождение белков, образующих протеиновый двигатель, будет совершать вращательное движение, выглядящее классическим, что уже наблюдалось в предварительных экспериментах, в которых подобные двигатели испытывались «в пробирке» (in vitro).

Итак, нельзя путать мезоскопическую физику с нанофизикой. Нанофизика имеет дело с приборами, построенными из десятков атомов, причем гашение, компенсация квантовых волн, или отсутствует, или контролируется (то есть может быть учтено), а то и вносится извне — из окружающей среды. Об этом пойдет речь в следующей главе. Однако, как это почти всегда бывает с разграничением научных уделов, и в этом случае возникли раздоры между исследователями (см. Приложение II). Для приверженцев нисходящего подхода, опускавшихся к мезофизике дорогой микроминиатюризации, в частности в электронике, нанофизика начиналась там, где обнаруживались квантовые свойства вещества. Для тех, кто предпочитал восходящий подход, стартовавший с поодиночной манипуляции атомов, нанофизика начиналась там, где можно отличать один атом прибора от другого атома того же устройства, и заканчивалась там, где атомов становилось так много, что их волны, накладывающиеся друг на друга, превращались в трудноразличимый беспорядок, в котором уже невозможно опознавать «отдельные» квантовые явления.

В совсем крошечном транзисторе ток утечки укладывается в рамки квантового явления, известного как туннельный эффект (упоминавшийся выше туннельный микроскоп работает на этом же эффекте): электронов так много, что все они описываются одной-единственной квантовой волной. В квантовом мире волну, связываемую с некоторой частицей, нельзя резко остановить на границе между двумя средами: сохраняется некоторая непрерывность волн (волна переходит, пусть с искажением, из одной среды в другую). То есть электроны, находящиеся в одной среде, могут оказаться по другую сторону границы между средами — иначе говоря, вероятность их обнаружения там отлична от нуля. Например, мы знаем, что эти вот электроны должны быть, скажем, по левую сторону границы, но они вполне могут оказаться на правой стороне — и это нормально, нечего тут удивляться! Это похоже на то, как если бы кто-то из ваших знакомых научился проходить сквозь стены, минуя запоры и замки (и двери с окнами). Правда, умение проходить сквозь стены не выходит за пределы расстояний, измеряемых считаными нанометрами (да и научиться этому трюку может лишь электрон — или еще более мелкая элементарная частица). Если в том же нашем транзисторе слой, изолирующий управляющий электрод от активной части транзистора (канала), будет тоньше нанометра, то какие-то электроны с достаточно большой вероятностью будут перенесены благодаря туннельному эффекту через слой изоляции, а это значит, что между электродами транзистора и между электродами и каналом потечет ток утечки. И это «своеволие» электронов, выражающееся в беспорядочном «бегстве врассыпную», крайне неприятно. Для всякого нового поколения транзисторов приходится придумывать новый изолирующий материал, достаточно непрозрачный для квантовых электронных волн. К тому же транзистор работает тем лучше, чем больше площадь соприкосновения управляющего электрода с каналом. Но сила тока утечки также пропорциональна площади токопроводящих поверхностей. Налицо противоречие: чтобы увеличить действенность транзистора, следует увеличивать площадь соприкосновения (управляющего электрода с каналом), а для снижения тока утечки это соприкосновение следует свести к минимуму. Инженеры оказались в безвыходном тупике!

В приборах, созданных методами микроэлектроники, наблюдаются и иные квантовые явления. В мире наших масштабов если уж по проводнику течет ток, то он подчиняется закону Ома: значит, сила тока обратно пропорциональна электрическому сопротивлению проводника (чем больше сопротивление, тем меньше ток — при том же приложенном напряжении); иначе говоря, если сопротивление проводника велико, то электронам по этому проводнику перемещаться труднее. А ведь чем тоньше проводок, тем его сопротивление больше. Электронам труднее проталкиваться через узкое место — вспомните о зрителях, покидающих театр через узкий коридор.

Однако, когда диаметр проводника уменьшается до нескольких десятков нанометров, наблюдается нечто странное: сопротивление перестает непрерывно возрастать по мере уменьшения сечения проводника, как это было раньше. Нет, оно по-прежнему растет, но — «скачками»: вот мы понемногу делаем провод тоньше, но сопротивление долго не меняется, а потом вдруг возрастает на квант сопротивления. Это примерно так, как если бы в нашем театре зрители не застревали бы на выходе, когда людей, теснящихся в выходном коридоре, становится все больше, а взбирались бы на колесницы, движущиеся с постоянной скоростью, но через несколько метров — когда выходной коридор стал уже — скорость колесниц вдруг падала бы. А еще через несколько метров их скорость становилась бы еще меньше.

Эти скачки объясняются явлением дифракции. Положим, что проводник утоньшается. Тогда раньше или позже, но в какой-то момент сечение его станет таким, что в его диаметре уложится считаное число электронных волн. Тогда при совпадении диаметра проводника с числом, кратным длине полуволны, возникает резонанс и прибавляется квант сопротивления. А когда диаметр проводника становится меньше самой малой полуволны, то проводок делается непрозрачным для электронов. Это выглядит так, словно бы волне (то есть электрону) тесно в слишком тонком проводе — ей просто негде колебаться (так свет не может проникнуть в совсем уж тоненькую дырочку): значит, и потока электронов — а это электрический ток! — не будет. Впервые это квантовое явление обнаружили в самом конце 1980-х годов.

А что будет, если на таких тонюсеньких проводках собрать целую электронную схему? Вот обычная — классическая — электрическая цепь: пусть два сопротивления (например, резисторы — или проводники) соединены параллельно. Тогда электрическая проводимость — так называется мера «легкости», с которой ток преодолевает цепь, — будет равна сумме электропроводимостей обеих запараллеленных ветвей, согласно законам Кирхгофа (они открыты в XIX веке). А теперь переведем схему в мезоскопическую шкалу (это среди прочего значит, что проводки стали совсем тоненькими). Диаметры резистора и провода, который к нему подключен, меньше 100 нм, и никакие законы Кирхгофа схеме не указ. Правда, общая проводимость схемы по-прежнему равна сумме параллельных сопротивлений, но с учетом эффектов квантовой интерференции, а чтобы учесть интерференцию, надо вводить в сумму — или (это удобнее) в ее слагаемые — поправки на квантовые эффекты. Так что никуда законы электротехники не деваются — заряд электрона, одна из фундаментальных физических постоянных, остается тем же. Просто еще и проявляются (на маленьких расстояниях) квантовые явления.